Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние проблемы, цель и задачи исследований : 6
1.1. Горное садоводство в Кабардино-Балкарии: состояние и перспективы развития 6
1.2. Анализ факторов, влияющих на технологический процесс орошения горных склонов 10
1.3. Анализ способов и техники орошения горных склонов 36
1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследований 48
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование траектории движения дождевальной струи при орошении склонового участка 51
2.1. Кинематические параметры движения дождевальной струи 51
2.2. Характер изменения скорости ветра у поверхности земли... 57
2.3. Математическая модель движения дождевальной струи при орошении склонового участка с учетом ветра 63
2.4. Обоснование конструкции дождевального аппарата для орошения садов на горных склонах 81
2.5. Выводы по главе 85
ГЛАВА 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 87
3.1. Программа экспериментальных исследований 87
3.2. Планирование экспериментальных исследований 87
3.3. Методика экспериментальных исследований 89
3.4. Выводы по главе 97
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 98
4.1. Исследование технологических параметров работы импульсного дождевателя 98
4.2. Оптимизация основных параметров дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах 104
4.3. Производственные испытания дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах 105
4.4. Выводы по главе 113
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность использования дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах 118
общие выводы 123
практические рекомендации 126
список использованной литературы 127
приложения
- Горное садоводство в Кабардино-Балкарии: состояние и перспективы развития
- Кинематические параметры движения дождевальной струи
- Программа экспериментальных исследований
- Исследование технологических параметров работы импульсного дождевателя
Введение к работе
Интенсивное освоение горных склоновых земель, пригодных по поч-венно-климатическим условиям для возделывания плодовых насаждений, представляет большой практический интерес и экономически эффективно. В настоящее время в Кабардино-Балкарии под сады освоено более 5 тыс. га склоновых земель.
Современное горное и предгорное садоводство требует перехода к плодовым насаждениям интенсивного типа. Это реформирование связано с повышением эффективности горного и предгорного садоводства, которое осуществляется путем совершенствования технологических процессов закладки и возделывания садов, механизации и автоматизации процессов ухода за плодовыми насаждениями, разработки и внедрения ресурсосберегающих экологически безопасных технологий и технических средств орошения.
Применение орошения плодовых культур в горном и предгорном садоводстве связано с большими трудностями, так как правильный выбор наиболее эффективного способа и техники орошения зависит от многих факторов (зоны и экспозиции склона, характеристики почв, климатических условий, рельефа местности, агробиологических и хозяйственных факторов).
Однако вопрос орошения садов на горных склонах еще недостаточно изучен. Это объясняется тем, что применение традиционных способов и техники полива для орошения садов на горных склонах сопряжено с опасностью развития эрозионных процессов, большими расходом воды и трудоемкостью. Такое положение дела требует применения новых способов и техники полива, реализующих принципы ресурсосбережения, адаптивности и экологической безопасности. Этим критериям отвечает синхронное импульсное дождевание.
Изучение особенностей импульсного дождевания садов приобретает актуальное значение для горных республик, в том числе и для Кабардино Балкарии, где значительная часть подлежащих орошению площадей характеризуется наличием больших уклонов.
Импульсное дождевание горных склонов выдвигает ряд вопросов, требующих всестороннего изучения в целях правильного проектирования и эксплуатации дождевальных систем. Это связано с тем, что недостаточно изучены факторы, влияющие на технологический процесс дождевания горных склонов. Дело в том, что уклоны местности и ветер оказывают существенное влияние на дальность полета дождевальной струи. Поэтому возможность применения обычных дождевальных аппаратов кругового действия ограничивается уклонами 8... 13°, выше которых рекомендуется переходить на секторное дождевание. Но так как круговой полив имеет целый ряд ощутимых преимуществ перед секторным дождеванием, возникает необходимость создания такого дождевального аппарата, который позволит осуществлять круговой полив горного склона, обеспечивая при этом максимальный радиус действия по всем направлениям. Данное обстоятельство подтверждает актуальность темы исследования.
Проблема разрабатывалась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии и Северо-Кавказского научно-исследовательского института горного и предгорного садоводства, а также контрактом №16 от 16.03.2001 г. с. Министерством сельского хозяйства Кабардино-Балкарской республики «Разработка и внедрение ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий и технических средств орошения плодовых культур в интенсивном горном и предгорном садоводстве».
Горное садоводство в Кабардино-Балкарии: состояние и перспективы развития
Освоением горных склонов под многолетние плодовые насаждения, как известно, занимаются во многих странах мира, в том числе и в Российской Федерации. Это дает возможность без ущерба для полеводства выращивать высококачественную продукцию и трансформировать малопродуктивные земли в культурные угодья.
Вовлечение в сельскохозяйственный оборот и, в частности, под плодовые насаждения, мало или совсем неудобных для однолетних культур склонов представляет большой практический интерес и экономически эффективно, особенно в зонах с оптимальными почвенно-климатическими условиями для плодовых культур (Лучков П.Г., Шомахов Л.А., Балкаров Х.Ж.).
За последние 30 лет в предгорной и горной зоне Кабардино-Балкарии на склоновых землях были заложены крупные садовые массивы на площади более 5 тыс. га, которые давали высокие урожаи плодов [67...70]. Например, в МУСХП «Нальчикское» площадь садов составляет 600 га, из них 446 га плодоносящих. Урожайность за последние 1986-1990 гг. составила И 2 и/га. Чистый доход с 1 га составил 5127 руб. при уровне рентабельности 163%. Прибыль от садоводства составляла 70% от всей прибыли хозяйства.
В специализированных совхозах «Заюковский», «Лечинкай», «Экип-цоко» и других к 1990 г. в садах на склонах систематически наращивалось производство плодов. В неспециализированных хозяйствах с более низким уровнем агротехники эффективность садоводства была заметно ниже. Тем не менее сады оставались достаточно рентабельными для воспроизводства отрасли. До 1990 г. плодоводство в Кабардино-Балкарии развивалось динамично. Начиная с 1991 г. в результате реформ и перехода на рыночные отношения состояние промышленного садоводства резко ухудшилось. Вследствие острой нехватки ядохимикатов, удобрений, баснословного роста цен на энергоносители и сельскохозяйственную технику резко снизилась урожайность садов в общественном секторе. Плодовые насаждения в неспециализированных и некоторых специализированных хозяйствах оказались не рентабельными. Сады списывали и корчевали.
К тому же, в связи с распадом союзных структур российское садоводство осталось без заводов, производственных мощностей по производству специализированной техники, результатом чего явилась на сегодняшний день слабая механизация технологических процессов и трудоемких операций в садоводстве [71].
За годы реформ выявились некоторые негативные стороны производства плодов. Сады дореформенного периода на склонах на 75 и более процентов составляли сильнорослые плодовые насаждения с размещением на 1 га до 200-250 деревьев, которые по урожайности не могут конкурировать с садами интенсивного типа с более плотным размещением деревьев. Кроме того, оставшиеся сады постарели и заметно снизили урожайность и качество плодов, а молодые сады в этот период практически не закладывались. К концу 2003 г. на.склонах остались именно такие насаждения и для того, чтобы получать в таких садах прибыль, требуются значительные затраты.
Восстановление горного садоводства рекомендуется проводить в два этапа. На первом этапе задачей восстановления горного садоводства является раскорчевка списанных и старых нерентабельных насаждений. На месте старых посадок закладываются новые насаждения интенсивного типа на клоно-вых подвоях, скороплодными высоко урожайными породами и сортами,. адаптированными к условиям на склонах с учетом достижений науки и накопленного производственного опыта.
Вторым этапом восстановления плодоводства должно быть расширение площадей под садами на новых землях по мере укрепления экономического положения хозяйств.
Восстановление садов на склонах осуществляется прежде всего в специализированных садоводческих хозяйствах, имеющих положительный опыт выращивания таких насаждений, где сохранились специалисты и квалифицированные рабочие [67].
В настоящее время для горных и предгорных районов республики разработана адаптивно-ландшафтная почвозащитная интенсивная технология выращивания промышленных садов на склоновых землях, внедрение которой обеспечит создание на таких землях высокоурожайных, эффективных насаждений [69].
Развитие садоводства в Кабардино-Балкарии идет по пути научно-обоснованного подбора подвоев, сорто-подвойных комбинаций применительно к условиям произрастания плодовых деревьев в каждой плодовой зоне.
Развитие горного садоводства зависит от решения множества технических, экономических и организационных вопросов [5, 30, 49, 100, 102]. Ускоренное развитие горного садоводства выдвигает на передний план вопрос о повышении эффективности и уровня механизации плодоводства в предгорных, горных и горно-долинных районах Кабардино-Балкарской республики.
Комплексная механизация горного садоводства является трудной и сложной задачей. Садоводство на склонах остается трудоемкой отраслью сельского хозяйства.
Кинематические параметры движения дождевальной струи
Исследованию кинематических параметров движения капель дождя при распаде дождевальной струи посвящены работы многих ученых как в нашей стране, так и за рубежом (А.А. Исаев, Б.М. Лебедев, В.М. Марквартде, СВ. Бухман, А.Н. Колмогоров, СП. Ильин, Д.Б. Циприс, S. Okamura, Н. In-cue, G. Woodward) [37...42, 57, 61, 74, 75, 108, 131].
Процесс движения струи в воздушной среде является довольно сложным. Струя при движении постепенно распадается на капли, средний размер которых возрастает по мере удаления от сопла. Первые капли, отделившиеся от основной массы струи, попадают в неподвижную среду, и скорость их довольно быстро затухает. Скорость падения этих капель на поверхность земли минимальна и равна скорости вертикального падения. Основная масса жидкости продолжает лететь довольно компактно. При этом движении ст жидкости отделяются части и, распадаясь на капли, выпадают в виде дождя. Струя при движении индуктирует спутный поток воздуха. Это резко снижает сопротивление воздуха движущимся каплям. Чем позже отделилась от основной массы жидкости капля, тем дальше она летит и имеет более пологую траекторию. Поэтому струя представляет собой множество частиц и капель, движущихся каждая по своей траектории.
Максимально возможные размеры капель дождя, образующихся при распаде дождевальной струи, рассмотрены в [17, 37, 57, 60, 61, 62].
Известно, что всякое тело, падая в атмосфере, движется сначала с ускорением, а затем с постоянной скоростью. Движение с постоянной скоростью начинается с того момента, когда сила сопротивления воздуха становится равной весу тела.
Подставим полученные приращения капли по объему dVn лобовой поверхности dS из уравнений (2.4) и (2.7) в уравнение (2.1) и после несложных математических преобразований получим: р=2а (2.8) г
При движении капли воды в воздушной среде под влиянием сопротивления воздуха возникает давление, которое действует только на лобовую поверхность движущейся капли. Поскольку по закону Паскаля давление жидкости, находящейся в равновесии, передается во всех направлениях с одинаковой силой, то происходит деформация капли. Капля расширяется в сторону, вдавливаясь своей передней частью, вплоть до ее разделения (рис. 2.1) [152].
По данным опытов, максимальные диаметры капель дождя бывают 6...7 мм, что хорошо согласуется с теоретическими результатами [22, 62]. На основании этого можно отметить, что принятое допущение о равенстве давления в капле давлению встречного потока воздуха при ее падении является правильным.
В формулы (2.14) и (2.18), позволяющие рассчитать критическую скорость капли дождя, входит коэффициент сопротивления движущейся капли
В литературе встречаются различные расчетные значения коэффициента сопротивления при движении капли воды в воздухе.
Ряд исследователей полагают этот коэффициент постоянным и равным 0,4. Okamura S. принимает этот коэффициент равным 0,45, а Прандтль Л.-равным 0,5 [22, ПО].
Однако многие ученые считают, что допущение постоянства коэффициента Сх является слишком грубым и определяют этот коэффициент по эмпирическим зависимостям. Наиболее широкое распространение получила зависимость
Программа экспериментальных исследований
Целями экспериментальных исследований являлись: - проверка и уточнение результатов теоретических исследований: - оптимизация основных параметров и режимов работы дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах; - проведение полевых испытаний разработанного дождевального аппарата.
Для достижения указанных целей была принята следующая программа экспериментальных исследований:
1. Установление в лабораторных условиях основных параметров и режимов работы дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах.
2. Исследование влияния основных параметров и режимов работы дождевального аппарата для орошения плодовых культур на горных склонах на дальность полета импульсной дождевальной струи.
Математические методы планирования эксперимента получили большое распространение при решении задач математического описания и оптимизации параметров многофакторных объектов, к которым относите:, исследуемый дождевальный аппарат.
Выбор наилучшего плана эксперимента, проводимого в условиях неоднородностеи, связан с анализом источников неоднородностеи. В наших опытах основными источниками неоднородностеи являются климатические условия (температура, влажность и др.), наличие примесей в воде и др. При этом мы не можем принять это различие в качестве одного из основных факторов, хотя они и увеличивают ошибку опыта, создавая помехи и временный Дрейф. В качестве математической модели функции отклика выбираем полином второго порядка вида:
При планировании эксперимента зададимся следующими величинами: 1. надежность результатов опыта - а. С помощью этой величины можно установить доверительный интервал значений критерия оптимизации. Зададимся величиной х=0,95.
2. Допустимая ошибка - є, выраженная в долях среднеквадратическо-го отклонения а. Известно, что результаты многократных измерений одной и. той же величины должны лежать в пределах ±о. Таким образом, принимаем є=±о\ Устанавливаем, что необходимое число повторностей опытов равно 3.
На основании проведенных теоретических исследований установлено, что определяющей характеристикой процесса орошения дождевальным аппаратом дальность полета струи. С учетом этого, указанная дальность принята нами в качестве критерия оптимизации.
Анализ показал, что наибольшее влияние на дальность полета струи оказывают давление воды на срезе сопла дождевальной насадки, высота расположения и угол наклона ствола дождевальной насадки (табл. 3.1).
Для составления матрицы планирования эксперимента необходимо установить количество опытов (число строк в матрице эксперимента). При центральном композиционном планировании общее число точек плана при количестве факторов к=3 определяется по формуле: N=2K+2K+not (3.2)
Перед реализацией плана эксперимента на объекте, опыты, предусмотренные в плане матрицы эксперимента, следует рандомизировать, то есть проводить в случайной последовательности. Порядок проведения опытов в случайной последовательности рекомендуется выбирать по таблице равномерного распределения случайных чисел.
Оценка природных условий Кабардино-Балкарской республики позволила в зоне развития горного садоводства определить место проведения полевых исследований. Они проводились в 2001-2005 гг. на территории ОПХ «Долинск» СКНИИГПС, земли которого расположены в пригороде г. Нальчика.
С целью изучения применимости импульсных дождевателей в садах на горных склонах нами в 2002-2004 гг. проводились лабораторные исследо вания в СКНИИГПС и Высокогорного геофизического института (г. Нальчик).
Для изучения влияния различных режимов работы импульсного дождевателя на его технологические параметры была разработана и изготовлена лабораторно-стендовая установка (рис. 3.1). Она включает в себя исследуемый импульсный дождеватель 1, реле давления 2, командный импульсный дождеватель 3 с регулируемым дросселем 4, клапаны-распределители 6 и 8, напорные трубопроводы 7 и насосно-силовой узел 9.
Исследование технологических параметров работы импульсного дождевателя
Импульсный дождеватель (рис. 4.1) является основным элементом системы синхронного импульсного дождевания и состоит из гидропневмоак-кумулятора 1, устройства для закачки воздуха 2, перфорированного свода 3, эластичной мембраны 4, гидроуправляемого запорного органа 5, стояка 6 и среднеструйного дождевального аппарата 7.
Пневмогидроаккумулятор представляет собой бак, разделенной перфорированным сводом и эластичной мембраной на две части. Его нижняя часть предварительно заполняется воздухом до давления 0,25...0,35 МПа. Запорный орган представляет собой поршень, имеющий клапан, который обеспечивает сброс воды из подпоршневой камеры через стояк в ствол дождевальной насадки. В качестве дождевальной насадки применен двухствольный аппарат, разгруженный от реактивного действия дождевальных струй, с диаметром сопел, равным 14 мм.
Импульсный дождеватель работает в режиме автоматически чередующихся циклов: паузы, в течение которой наполняется водой верхняя часть пневмогидроаккумулятора и выплеска, когда вода через насадку выбрасывается на орошаемый участок под действием под действием сжатого воздуха. Он используется на стационарных системах, расположенных на крутых склонах с большими перепадами высот, для орошения садов с высотой установки дождевальной насадки от поверхности земли, равной 2,5 м.
В связи с изложенным возникает необходимость изучения технологических параметров (радиуса действия, дисперсности распада дождя импульсной струи) работы импульсного дождевателя с различным заполнением пневмогидроаккумулятора воздухом.
Исследования по изучению технологических параметров работы импульсного дождевателя проводились на стационарном лабораторном стенде, оснащенном контрольно-измерительной аппаратурой [140].
По существу вопроса была проведена осциллографическая запись изменения давления в пневмогидроаккумуляторе импульсного дождевателя и на срезе сопла дождевального аппарата при различных давлениях воздуха в пневмогидроаккумуляторе, равных 0,25; 0,30 и 0,35 МПа и высоте расположения сопла дождевального аппарата от поверхности земли, равной 2,5 м. Полученные осциллограммы были расшифрованы и приведены в виде графиков на рис. 4.2.
Исследованиями установлено, что выплеск из импульсного дождевателя происходит под действием сжатого воздуха. Начальное давление воздуха при выплеске и продолжительность выплеска зависят от величины предварительного заполнения пневмогидроаккумулятора воздухом. Длительность возрастания давления в дождевальной насадке в зависимости от предварительного заполнения пневмогидроаккумулятора воздухом равна 0,48 с при Л,=0,35 МПа; 0,5 с при Р„=0,3 МПа и 0,52 с при Р„=0,25 МПа, что составляет в среднем 20,6% от продолжительности выплеска.
Продолжительность выплеска в зависимости от давления воздуха при hc =2,5 м, соответственно, равна 2,00; 2,15 и 2,35 с. Продолжительность выплеска увеличивается с уменьшением давления воздуха в пневмогидроакку-муляторе. Потери давления в сопле дождевального аппарата составляют в зависимости от давления воздуха, соответственно, 7,36; 8,84 и 10,0%.
Анализируя полученные результаты, следует отметить, что давление на выходе из дождевальной насадки достигает своего максимального значения лишь через 0,48...0,52 с со значительными потерями, что отрицательно сказывается на дальности полета импульсной дождевальной струи.
На дальность полета импульсной дождевальной струи оказывает влияние давление воздуха в пневпогидроаккумуляторе. В среднем дальность полета импульсной дождевальной струи равна Ru =27,29 м при-Р„=0,25 МПа, Ru = 28,88 м при Л,=0,30 МПа и Ru = 30,32 м при Р„=0,35 МПа.
Одной из характеристик для оценки дисперсности распада дождевальной струи и гранулометрического состава капель является средний размер капель.
В настоящее время для оценки качества дождя, создаваемого дождевальными аппаратами, используются значения среднекубических диаметров капель, выпадающих в начале, середине и конце струи [21, 40, 42, 56, 104, 131]. Однако среднекубический диаметр капли не дает полной характеристики дисперсности распада струи, так как при одном и том же его значении возможны различные распределения капель дождя по размерам.
Исходя из этого, для более точной оценки качества дождя, создаваемого дождевальными аппаратами, дополнительно рекомендуется крупность капель характеризовать через интегральное распределение объема дождевой воды: через медианный по объему диаметр капли [21, 22].
В связи с этим изучение распределения капель по их размеру и определение масс воды, переносимых крупными и мелкими каплями искусственного дождя, представляет существенный практический интерес при создании новых дождевальных аппаратов для систем импульсного дождевания.
